飞机零件三维模型检查模板的配置及应用技术研究*

王 凯

(中国民用航空飞行学院 航空工程学院，四川 广汉 618307)

0 引言

随着MBD技术的发展和应用，在飞机研发过程中，零件的三维模型成为唯一的数据来源。零件三维模型的质量决定了整个飞机研发制造过程的数据流通性，并决定了最终零件的质量。为了保证零件三维模型的质量，需要建立一套能够包含飞机制造各个过程规范要求的质量检查体系，同时应该具有可定制性，满足不同零件模型的检查需求[1]。

在国内外的航空制造领域，零件三维模型的质量控制一直是企业的核心前沿技术。随着MBD技术的发展，零件三维模型包含的信息越来越多，其地位和作用越来越大，在很大程度上影响最终飞机的质量和研发周期。国外很多航空企业，MBD技术发展已经很成熟，与之配套的零件三维模型质量检查技术也很完善[2]。像空客公司，基于CATIA进行二次开发，研制了比较完整的相关技术[3]。但是，由于此相关领域是企业核心技术，实行技术封锁。鉴于国内大飞机制造的发展现状，急需配套与之发展相匹配的零件三维模型质量检查技术，同时便于普及推广[4]。

零件三维模型的检查是一个典型的多指标多层次的综合评价问题，评价指标往往具有不确定性和主观性。对于这类问题，应该把模糊的描述进行量化。为此，建立了零件三维模型的多目标多层次综合评价数学模型——基于MBD的检查模板。此检查模板包含了飞机研发过程的各个层次的规范要求，既可以满足同一个零件三维模型的不同的检查需求，也可以满足不同零件模型的检查需求。

1 飞机零件三维模型规范树的建立

飞机的研制过程必须经历零件设计、工艺/工装设计、零件制造和检验检测等重要环节[5]，而各个阶段的基础都是零件三维模型，各阶段派生出的数据模型都是基于零件设计模型，并相应的产生各个阶段的子模型。各部门的人员相互协作完成零件的研发和制造，提高设计模型的品质、可制造性以及经济性，具体的流程如图1所示。

图1 基于MBD的数字化制造流程

在零件设计阶段，设计人员根据需求计划进行MBD三维模型的设计，建立零件工程BOM，并进行发布。在工艺及工装设计阶段，工艺设计部门不断地进行工艺分析，同时不断地向设计部门反馈适时的工艺审查意见。工装设计部门根据上游提出的要求和上游传递过来的零件模型进行工装设计。在零件制造阶段，制造部门根据设计方发布的数模和工程BOM以及工艺设计方发放的工艺BOM设计三维工艺模型，编制装配大纲以及制造大纲。在零件检验检测阶段，检验检测部门依据工程BOM、零件设计模型和零件工装设计模型来设计检验模型，并最终完成零件以及工装的检验检测。

从图1可以看出，零件的三维模型在制造流程运转中形成了4个主要的子模型，设计模型、工艺模型、工装模型以及检验模型。根据零件研发周期各阶段的需要，零件要不断完善各子模型，做到所有的数据都要写到三维模型当中。对于零件的4个MBD子模型，其包含的信息主要是三维模型加数据，不同的是根据每个阶段建立起的三维模型以及根据每个阶段的需求写入的数据信息[6]。而不管是什么样的三维模型和数据信息，其规范性要求基本上一致，而这些规范性要求主要来自于两个方面，一个是从上自下的规范性文档，包括国家标准、行业标准、企业标准以及部门标准，另外一个是来自于各个部门设计人员的经验。最终，建立起的飞机零件MBD模型规范树如图2所示。

飞机零件的MBD模型的定义是在三维模型上对零件的几何和非几何信息进行统一的表达[7]。飞机零件的MBD模型定义的特点包括，①准确性：确保飞机零件的位置、形状以及误差的准确定义；②规范性：确保零件信息符合行业和企业的要求；③可制造性：在设计阶段就考虑零件的工艺性[8]。其中，飞机零件的MBD模型是利用结构特征树来管理模型的几何与非几何信息，包括零件实体、外部参考、构建几何、工程几何、出口控制、标记、标准说明、零件说明、材料描述、审批状态、装配连接以及标注集等。其中基本工艺信息都采用带有参数的说明形式来表达，而占工艺信息大部分的特殊非几何工艺信息都采用标注信息来表达[9]。因此，依据飞机零件MBD模型的结构特征树结点类型，可以把图2中第四层的规范性归纳为9个方面：系统容差的规范性；图形属性的规范性；详图/符号的规范性；模型发放内容的规范性；常规的规范性；针对实体元素的规范性；针对线架和曲面元素的规范性；图样元素的规范性；通用的规范性。

2 零件三维模型检查模板配置技术

2.1 零件三维模型检查的决策过程

基于MBD建立起来的检查模板包含了飞机研发过程的各个层次的规范要求，可以满足同一个零件模型的不同检查需求，以及不同零件模型的检查需求。飞机零件三维模型的质量检查具有多目标多层次的特性，其最终的评判结果可以设置成具体的评价得分，通过分系统打分、重复项均分，得到一个能够真实反映零件三维模型质量的评价结果。其决策过程如下：

定义检查模板为集合 A ={ A1, A2, …An}，其中Ai代表检查标准。

定义检查项的权重为集合W ={ w1,w2, …wn}；其中wi代表满足检查模板中检查标准Ai的权重值，同时所有的权重值满足：

(1)

定义待检查目标模型为集合O={O1,O2,…Om}，m≤n。某个Oi( i ∈{1, 2, 3, … , m } )又由pi个子目标组成, 则记为Oi= { Oi1,Oi2, …Oipi}。对于待检查目标模型为O，有两个基本要素：

①检查目标模型中的一些检查项可能没有，对于没有的检查项对应的权重得分直接给予权重值；

②检查目标模型中的待检查项又有pi个子项，每一个子项满足对应检查模板的检查标准Ai，权重得分是wi/pi。

对于待检查目标模型的子集Oi= { Oi1,Oi2, … Oipi}，定义kij为子集合Oi中单一检查项Oij的决策结果，代表Oi中第j个待检查项是否满足Ai检查标准。那么kij可以表达为：

(2)

用ki代表Oi中不满足Ai检查标准的数目，那么：

(3)

因此，待检查目标模型的子集Oi中减少的权重值就是：

(4)

式中，kij为子集合Oi中单一检查项Oij的决策结果，wi代表满足检查模板中检查标准Ai的权重值，pi为某个Oi( i ∈{1, 2, 3, … ,m} )的子目标数量。

定义检查综合得分为F(m，n)，代表待检查目标模型O中所有满足检查模板A的权重总和，那么：

(5)

式中，kij为子集合Oi中单一检查项Oij的决策结果，wi代表满足检查模板中检查标准Ai的权重值，pi为Oi( i ∈{1, 2, 3, … ,m} )的子目标数量。

可以看出F(m，n)的结果中的核心因素就是kij，代表子集合中单一检查项的决策结果。而kij的决策有三种方式：

②数值范围决策。比如圆柱折弯圆角半径，给定数值范围(a，b)；

③使用决策文件。比如零件号的命名规范，形如123A1234-5的零件号的命名规范用正则表达式为：^[0-9][0-9][0-9][A-Z][0-9][0-9][0-9][0-9][-][0-9]编写成决策文件如下：

BEGIN_BLOCK NOTALLOWED

"^[0-9][0-9][0-9][A-Z][0-9][0-9][0-9][0-9][-][0-9]"

ERROR_MSG

"Root part name does not match with

^[0-9][0-9][0-9][A-Z][0-9][0-9][0-9][0-9][-][0-9]"

END_BLOCK

最终，对于零件三维模型的决策反馈有两个层次：

①为了给零件三维模型的质量一个综合的评判，依据F(m，n)的结果对零件三维模型进行归类，分为5个档次，完全规范(F(m，n)=1)，非常规范(0.8≤F(m，n)<1)，一般规范(0.6≤F(m，n)<0.8)，不规范(F(m，n)<0.6)。

②在对零件三维模型进行归类后，需要对其各个子系统的各个子项提供决策反馈，这些都写到了决策文件当中。

2.2 检查模板的定义及配置

对于零件模型的检查技术，最关键的就是配置检查模板。而检查模板的配置需要考虑零件本身的特点以及上下游企业或者部门的要求。采用模块化、可定制的配置方式，表示出全面的零件模型检查要素，最终实现“快速查找-模糊搜索匹配-模板可定制”的检查模板配置流程，如图3所示。

图3 检查模板配置流程

检查模板的配置可以针对零件的某一子模型，也可以同时检查多个子模型；可以从已有的模板继承和创新，也可以完全重新创建一个新的模板。企业可以不断的丰富自己的检查模板，最终满足各种零件的检查需求。检查模板的配置过程是：选择零件类型，然后选择子模型，包括设计模型、工艺模型、工装模型以及检验模型，如果配置出检查模板，就可以直接输出；如果不能满足需求，就需要创建新的检查模板：首先，从检查环境中检索已经存在的检查模板的检查项，如果检索出来，那么就可以配置成为新的检查模板；如果没有响应的检查项，就要创建新的检查项，并配置到新的检查模板中。

2.3 检查模板的发布及应用

在配置检查模板之前，首先要充分全面的分析零件模型特点以及企业需求。零件模型特点包括零件设计信息、零件类别、模型类别等；企业需求包括从设计到最后生产部门全环节的所有需求，保证零件三维模型满足各个阶段的使用需求以及数据的唯一性。最终形成的检查模板，是依据企业要求和零件特点，形成的一个规范集合。各类模型设计人员、工艺和工装设计人员以及生产加工人员都可以申请使用。

配置好的检查模板不可以直接使用，需要经向上审批，然后发布。发布的检查模板就是企业的标准化文件，检查人员可以直接从系统中下载并使用。发布的检查模板不允许任何人进行修改，但可以针对后期的需求进行版本的升级。发布之后的检查模板可以帮助设计人员随时检查零件三维模型，其具有一定的约束作用，使得开发人员的工作标准化。具体的发布流程如图4所示。

图4 检查模板发布流程

检查模板的应用过程如图5所示，首先输入零件信息以及零件质量要求，进行知识搜索匹配，通过直接使用发布的检查模板或者重新定制并进行发布；然后选择合适的检查工具进行检查模板的配置；最后进行检查，输出检查结果，进行修改或者反馈。

图5 检查模板的应用流程

检查模板的使用是基于检查工具的，检查人员针对不同的建模三维软件进行检查模板的一一配置。在配置好检查模板之后输入到检查工具当中，并针对具体的零件进行检查的实施。经过发布的检查模板检查之后的零件如果出现问题就具有约束效用，可以使设计人员在最初阶段及时 发现零件三维模型的质量问题，并进行修改，保证了零件三维模型在各部门的流转过程中的贯通。

3 结论

重点研究了零件MBD模型的分类、定义要求及规范性，设计了多目标多层次的零件三维模型质量检查的决策过程，提出了“快速查找-模糊搜索匹配-模板可定制”的检查模板配置流程，针对零件模型检查的多样性及模糊性建立了完整的检查模板“配置-发布-应用”体系。目前，已经根据实际调研情况，基于各专业厂的不同需求以及一些通用性要求定制了一些检查模板，包含数控厂、复材厂、钣金厂、部装厂以及总装厂等专业厂的模型检查模板，验证了技术的可行性。

DOI:10.1108/aeat.2004.12776cab.014.